大气等离子喷涂ZrB2/SiC/TaSi2超高温陶瓷涂层及其性能研究

高超声速飞行器在飞行过程中面临强烈的气动加热,而C/C复合材料因其优异的高温热稳定性而受到了航天领域的广泛关注,但也存在高温抗氧化能力不足的问题。本文以硼化锆、碳化硅、二硅化钽为原料制备了复合粉体材料,通过大气等离子喷涂(APS)工艺在C/C基体表面制备了高温抗氧化陶瓷涂层;采用SEM、EDS等检测手段对喷雾干燥粉末和涂层的相和微观结构进行了表征,并选用氧乙炔火焰在1800℃下对涂层样品进行了300s烧蚀考核。研究结果表明,TaSi2的加入可以降低复合粉体的共熔温度,在喷涂时粉末可以产生更多的共熔共晶组织,提高粉末沉积效率;采用大气等离子喷涂制备得到的ZrB2/SiC/TaSi2复合陶瓷涂层表现出了优异的高温抗氧化性能,涂层无明显剥落破碎等现象;烧蚀过程中TaSi2可以促进稳定的共晶氧化物的形成以及补充挥发的玻璃相,涂层表面形成了致密的Zr-Ta-O共晶氧化物,起到阻氧屏障的作用,从而使涂层具有更好的抗烧蚀性能。

低烧损ZrB2/SiC复合粉末制备及涂层抗烧蚀性能研究

采用喷雾造粒-胶粘包覆的方法制备了一种低烧损核壳结构ZrB2/SiC复合粉末,研究了胶粘包覆过程中不同清漆含量对粉末包覆效果的影响。结果表明清漆含量不足时细粉包覆不完全,细粉出现单独团聚的现象;清漆含量过多时,造成原始球形颗粒的粘连;当清漆含量为4.5%时,获得包覆效果良好的粉末,外层包覆完整均匀。为了研究等离子喷涂过程中核壳结构粉末SiC发生分解烧损程度,对比了分别采用核壳结构和均匀弥散结构ZrB2/SiC复合粉末所制备涂层的微观形貌及涂层中元素分布。结果表明核壳结构粉末喷涂涂层成分均匀性良好,高熔点ZrB2保护内层SiC,可有效减少SiC在等离子焰流中的烧损,实现涂层和粉末成分的一致性。对核壳结构复合粉末制备的涂层进行了20s的氧-乙炔火焰烧蚀试验,涂层质量烧蚀率为1.837×10-3g/s,对涂层抗烧蚀机理进行了初步探讨。

TaSi_(2)改性ZrB_(2)/SiC复合粉末制备及涂层抗氧化性能研究

目的 提高ZrB_(2)/SiC涂层的致密性及抗氧化烧蚀能力。方法 设计向ZrB_(2)/SiC涂层中掺杂TaSi_(2),以提升ZrB_(2)/SiC涂层的致密度和抗氧化性能。首先通过喷雾造粒法制备了4种不同成分配比的复合团聚粉,然后采用大气等离子喷涂(APS)在C/C基体表面制备了4种团聚粉复合涂层,最后使用氧-乙炔火焰法对所制备的涂层进行了烧蚀考核。结果 通过涂层致密度对比发现,随着TaSi_(2)的增加,涂层共晶区会有所增加,涂层致密度得到了明显改善。通过烧蚀考核发现,TaSi_(2)的加入能够增加SiO_(2)的含量,并产生热稳定性好的TaZr_(2.75)O_(8)。此外致密TaZr_(2.75)O_(8)的产生还能够有效改善涂层的抗氧化烧蚀性能。结论 最终得出的ZrB_(2)/SiC涂层硅化物掺杂改性方案为30%TaSi_(2)/42%ZrB_(2)/28%SiC(体积分数)大气等离子喷涂制备的抗氧化烧蚀涂层,其在1 600℃烧蚀5 min后的质量损失率为-1.70×10^(-4) g/s。

ZrC薄膜对Nb与ZrB_2-SiC相互作用的影响

以ZrB2、SiC粉体为原料,通过等离子活化烧结在1800℃,30MPa,保温时间5min条件下制得出组织结构均匀致密度的ZrB2-SiC陶瓷块体;采用磁控溅射在Nb箔表面镀微米级别的ZrC薄膜。然后将Nb箔与ZrB2-SiC叠层进行烧结。利用XRD检测了产物物相,采用SEM和能谱分析观测了断口显微结构和元素分布。结果表明,当Nb箔表面无ZrC薄膜或薄膜被破坏后,产物中基本不存在单质Nb。当Nb箔表面保持有完整ZrC薄膜时,Nb金属相可以大量保留下来。当烧结温度低于1500℃时,ZrC薄膜可以有效阻止铌箔的与ZrB2、SiC的反应。镀有ZrC薄膜的Nb箔做中间层与ZrB2/SiC叠层材料的断裂韧性有明显提高,断裂韧性达到了9.66MPa·m1/2。

ZrB_2-SiC和C_(sf)/ZrB_2-SiC超高温陶瓷基复合材料烧蚀机理的研究

通过真空热压工艺制备了ZrB_2-SiC材料和C^(sf)(碳短纤维)/ZrB_2-SiC超高温陶瓷基复合材料.采用氧乙炔火焰在4186.8kW/m^2的热流下分别喷吹烧蚀两种材料180s.ZrB_2-SiC材料表面最高温度达到2406℃,烧蚀后质量烧蚀率为-0.14%,线烧蚀率为-1×10^(-3)mm/s,C_(sf)/ZrB_2-SiC材料表面最高温度达到1883℃,烧蚀后质量烧蚀率为-0.19%,线烧蚀率为-4×10^(-4)mm/s.对两种材料烧蚀表面和剖面的分析发现,ZrB_2-SiC材料烧蚀后由表及里依次形成了疏松ZrO_2氧化层、SiC富集层和未反应层的三层结构,其中SiC富集层能够起到抗氧化的作用.C_(sf)/ZrB_2-SiC材料烧蚀后由外到内分别形成了ZrO_2-SiO_2氧化层、SiC耗尽层和未反应层的三层结构,其中最外层以ZrO_2为骨架,SiO_2弥合其中的结构有效地阻挡了烧蚀中氧的侵入.

无压烧结硼化锆基ZrB_2-SiC复相陶瓷的结构与性能

以钇铝石榴石-YAG为烧结助剂,通过无压烧结制备了ZrB2-SiC复相陶瓷。研究了烧结助剂含量对烧结材料力学性能和显微结构的影响,材料的显微结构由扫描电镜SEM及其能谱分析EDS测定。研究结果表明,烧结助剂(YAG)和原料中的杂质形成玻璃相填充在晶界上,显著促进了硼化锆基ZrB2-SiC复相陶瓷的致密化。

烧结温度对ZrB_2-SiC超高温陶瓷致密化的影响

利用放电等离子烧结技术(SPS)在不同的烧结温度下对ZrB_2-SiC超高温陶瓷进行烧结,研究了烧结温度对烧结体致密化的影响。结果表明,在烧结温度分别为1650℃、1750℃、1850℃和1950℃,升温速度为200℃/min,保温时间为1 min,压力为50 MPa时,随着烧结温度的提高,烧结体的致密度呈上升趋势。当烧结温度高于1850℃时,烧结体的致密化过程明显加剧;通过对不同烧结温度下制得的试样的XRD谱图分析发现.当温度高于1850℃时ZrB_2-SiC陶瓷中的SiC相会发生3C相到4H相的转变,这可能就是当烧结温度高于1850℃时烧结体致密度会急剧上升的原因。

ZrB_2-SiC陶瓷的注浆成型与无压烧结

研究了以聚乙烯亚胺(PEI)为分散剂,ZrB2粉体在水相中的分散性能.结果显示ZrB2的等电点在pH为5.7,加入PEI后的等电点移到pH为11.5.以PEI为分散剂,在pH为8.0处制备了固含量达45vol%的ZrB2-20vol%SiC陶瓷浆料.采用注浆成型方法制备了相对密度为53%的ZrB2-SiC陶瓷坯体,并对其进行了无压烧结,同时研究了硼粉为烧结助剂对其致密化及性能的影响.结果表明:硼粉为烧结助剂,实现了ZrB2-SiC陶瓷的完全致密化的同时,也降低了ZrB2-SiC陶瓷的烧结温度,2100℃烧结3h后的陶瓷维氏硬度为(17.5±0.5)GPa,弯曲强度为(406±41)MPa,断裂韧性为(4.6±0.4)MPa·m1/2.

ZrB_2-20%SiC超高温陶瓷抗热震性能研究

采用放电等离子烧结工艺在1850℃烧结温度、升温速度200℃/min、保温3min、压力50MPa条件下制备了ZrB_2-20%SiC(体积分数,下同)超高温陶瓷材料。通过不同温度下单次和5次重复热震(水淬试验)后测试材料的残余强度来评价ZrB_2-SiC陶瓷材料的抗热震性能,通过SEM分析研究材料的热震损伤机制。研究结果表明,随着热震温度的提高,ZrB_2-SiC材料热震后的残余强度逐渐降低,但1400℃热震后形成的玻璃相,对裂纹有修补、愈合的作用,提高了试样的残余强度。单次热震的损伤机制主要是微裂纹的产生。5次热震后试样的残余强度与相同温度下的单次热震相比要低很多,5次热震的损伤机制是氧化和微裂纹的共同作用。ZrB_2-SiC材料的抗热震试验结果显示了该材料具有优异的抗热震性能。

反应热压烧结制备SiC/ZrB_2复相陶瓷及其性能表征

以二硼化锆、硅和活性碳为原材料,在1850℃、20 MPa条件下,采用反应热压烧结工艺制备出了SiC/ZrB2陶瓷基复合材料。研究了添加剂(硅和活性碳)含量对ZrB2陶瓷烧结行为和力学性能的影响。借助X射线衍射和扫描电镜分析了复合材料的物相组成和微观结构。研究结果表明:添加剂可以显著提高复合材料的烧结致密度和力学性能。复合材料的XRD衍射图谱中只有ZrB2和SiC的衍射峰。当添加剂含量为12wt%时,复合材料的弯曲强度和断裂韧性分别达到584 MPa和7.25 MPa·m1/2。显微结构分析表明,致密度的提高、晶粒粒径的减小以及断裂模式的转变是复合材料力学性能提高的主要原因。

Preparation and oxidation property of ZrB_2-MoSi_2/SiC coating on carbon/carbon composites

To improve the oxidation resistance of carbon/carbon composites,ZrB2-MoSi2/SiC coating on the carbon/carbon substrate was prepared.The inner coating of SiC was prepared by pack cementation and the outer coating of ZrB2-MoSi2 was prepared by slurry painting.The phase compositions and microstructures of the coating were characterized by XRD and SEM,respectively.The preparation and the high temperature oxidation property of the coated composites were investigated.The results show that the outer coating of carbon/carbon composites is composed of ZrB2,MoSi2 and SiC phases.The mass losses of the ZrB2-MoSi2/SiC coated samples with SiC nano-whiskers after 30 h and 10 h of oxidation at 1 273 K and 1 773 K were,respectively,5.3% and 3.0%.The ZrB2-MoSi2/SiC coated samples exhibit self-sealing performance and good oxidation resistance at high temperature.

ZrB_2-SiC复相陶瓷的制备及其耐热冲击性能的研究

以Zr-B2O3-Mg为反应体系,利用自蔓延高温合成法(SHS)制备ZrB2粉体。分别在反应前和反应后掺入(体积分数)20%SiC,利用放电等离子烧结技术(SPS)制备ZrB2-SiC超高温陶瓷。采用SEM观察显微组织,利用阿基米德法测定密度,用氧炔焰进行热冲击试验。结果表明:与在自蔓延生成ZrB2后再掺入SiC的粉体相比,在自蔓延体系中直接掺入SiC粉体能够改善SiC的烧结活性及分散均匀程度,从而使相同烧结工艺下制备的ZrB2-SiC复相陶瓷具有较高的致密度和更好的抗热冲击性能。

等离子喷涂制备ZrB_2-SiC涂层及其抗氧-丙烷焰流烧蚀性能

为提高C/C复合材料的抗高温烧蚀性能,利用大气等离子喷涂技术在C/C复合材料表面制备ZrB_2-SiC复合涂层,并对其进行抗高温氧-丙烷焰流烧蚀试验。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析仪(EDS)对涂层的物相成分、微观形貌等进行检测分析。结果表明:大气等离子喷涂能在C/C复合材料表面制备出均匀致密的ZrB_2-SiC复合涂层,涂覆有ZrB_2-SiC涂层的C/C复合材料分别承受1 600、1 700和1 800℃的氧-丙烷焰流烧蚀300 s后依次增重0.63%、0.76%和0.71%,而烧蚀600s后试样质量烧蚀率分别为9.42×10^(-5)、2.04×10^(-4)和1.04×10^(-3)g/s。ZrB_2-SiC涂层显著提高了C/C复合材料的抗烧蚀性能,涂层氧化生成的玻璃态SiO_2能有效填充孔隙。直到SiO_2耗尽,涂层烧蚀后的孔洞成为环境中的氧进入基体的通道,导致基体烧蚀。

SPS烧结ZrB_2-SiC复合陶瓷的力学性能

用放电等离子体烧结(SPS)制备了ZrB2-30%SiC复合陶瓷材料,在万能力学试验机上测试陶瓷材料的弯曲强度和断裂韧性,用SEM观察陶瓷材料的断口形貌,并分析材料的断裂机制。结果表明ZrB2-SiC复合陶瓷的弯曲强度为743MPa,断裂韧性为6.5MPa·m1/2;断裂机制主要是沿晶断裂和穿晶断裂的混合机制。

ZrB_2-SiC的制备方法和性能研究

由于在极端环境中的优异物理化学性能,ZrB2基超高温陶瓷材料成为未来空天领域最具前途的候选材料之一,尤其是ZrB2-SiC材料近几年更成为研究热点。本文对ZrB2-SiC材料的制备、烧结致密化和力学性能等研究做了综合评述,重点对制备方法与使用性能间的关系进行了相关介绍。

ZrB_2-SiC/C层状复合陶瓷的高温氧化行为

利用流延法成膜和热压烧结工艺制备出了ZrB2-SiC层和石墨层交替排列、层厚均匀、界面清晰的ZrB2-SiC/C层状复合陶瓷。采用循环氧化法对ZrB2-SiC和ZrB2-SiC/C层状复合陶瓷在1000℃及1300℃空气中的氧化动力学曲线进行了研究。结果表明:在1000℃氧化增重时,ZrB2-SiC/C层状复合陶瓷在氧化反应初期表现为氧化增重,随着时间的增加,表现为氧化减重。在1300℃时,ZrB2-SiC/C层状复合陶瓷由于基体层ZrB2-SiC和弱夹层石墨相的氧化规律的相互叠加,使得其氧化增重曲线表现为抛物线规律。由XRD分析及扫描电镜观察发现,1300℃氧化15 h后,试样中不存在弱夹层石墨相,由于石墨相的挥发,材料残留孔隙。

PIP工艺对2DC／SiC-ZrB2复合材料结构和力学性能的影响

采用CVI结合SI及PIP工艺制备2D C/SiC-ZrB2复合材料。研究了PIP工艺中循环浸渍次数及热处理对复合材料结构和力学性能的影响。比较了多孔C/SiC浸渍浆料后用PIP结合CVI致密化和仅用CVI致密化的效果。结果表明:浸渍裂解后,热处理温度相同,热处理次数对复合材料的开孔率和弯曲强度影响不大。2D C/SiC-ZrB2复合材料的弯曲强度不随PIP次数的增多而增加,PIP处理二次后,复合材料的强度逐渐增加,PIP处理五次,强度达到最大值,制备的复合材料开孔率为8.0%、弯曲强度为423 MPa。SI后用PIP结合CVI致密化比仅用CVI致密化效果好。

聚合物浸渍裂解法制备C/C-ZrC-SiC-ZrB2复合材料及其性能研究

以有机ZrC、ZrB2前驱体和聚碳硅烷的混合溶液为浸渍前驱体,利用聚合物浸渍裂解法(PIP)制备了C/C-ZrC-SiC-ZrB2复合材料,并对材料的微观形貌、弯曲和烧蚀性能进行了研究。研究结果表明:利用该方法可制备出陶瓷相填充充分且分布均匀的C/C-ZrC-SiC-ZrB2复合材料。材料的弯曲强度为126.31 MPa,断面有大量的纤维束拔出,表现出良好的假塑性断裂模式。经过120 s氧–乙炔烧蚀,材料无明显烧蚀,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为–2.50×10-4mm/s和–1.33×10-4g/s。在材料表面不同区域形成不同的保护层,不仅能够降低氧气和热流向材料内部扩散,还具有弥补缺陷的作用,使材料表现出优异的抗烧蚀性能。

碳热还原法制备超细ZrB_2/SiC复合陶瓷粉

以ZrO_2、硼酸、硅溶胶和炭黑为原料于1300～1700℃用碳热还原法合成了超细ZrB_2/SiC复合陶瓷粉;用XRD和SEM等研究了合成温度、反应物配比等对复合粉体物相组成、微观形貌和粒径的影响。结果表明:当原料中硼酸过量(ZrO_2与B_2O_3物质的量比为1:1.5)才能保证在1650℃下保温1h时碳热还原反应完全进行,得到高纯的ZrB_2/SiC复合陶瓷粉体,其颗粒平均尺寸为0.4μm;不同温度制备的复合粉体颗粒形貌不同,随着温度的升高,晶须和棒状颗粒减少,而球形颗粒增多。

等离子喷涂制备ZrB_2-SiC复合涂层及其静态烧蚀性能

目的提高C/C复合材料的抗静态烧蚀性能。方法利用大气等离子喷涂技术在C/C复合材料表面制备ZrB_2-SiC复合涂层,对其进行1500℃的静态烧蚀实验。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析仪(EDS)对涂层的物相成分、微观形貌等进行检测分析。结果采用大气等离子喷涂制备的ZrB_2-SiC涂层是由熔融的粉末粒子紧密堆积而成,呈现典型的层状结构,涂层均匀完整地覆盖于C/C基体表面,厚度约为200μm。涂覆有ZrB_2-SiC复合涂层的C/C复合材料试样在1500℃分别氧化2,3,4 h后,试样依旧保持完整,C/C基体未遭受损伤,试样的质量增加率依次为3.39%,2.95%,4.25%。结论采用大气等离子喷涂技术能够在C/C复合材料表面制备出厚度均匀、结构致密的ZrB_2-SiC复合涂层,ZrB_2-SiC复合涂层使C/C复合材料的抗静态烧蚀性能显著提高。